AUTOMAÇÃO PARA LINHA DE PRODUÇÃO DE ENVASE DE...
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_________________________________________________________________________________ Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura” CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL MÁRCIO GEOVANI DA CRUZ MAYSSON RODRIGUES DE SOUZA AUTOMAÇÃO PARA LINHA DE PRODUÇÃO DE ENVASE DE LÍQUIDOS POR CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Garça 2015
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_________________________________________________________________________________
Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de
Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MÁRCIO GEOVANI DA CRUZ
MAYSSON RODRIGUES DE SOUZA
AUTOMAÇÃO PARA LINHA DE PRODUÇÃO DE ENVASE DE
LÍQUIDOS POR CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
Garça 2015
__________________________________________________________________________________
Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de
Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MÁRCIO GEOVANI DA CRUZ
MAYSSON RODRIGUES DE SOUZA
AUTOMAÇÃO PARA LINHA DE PRODUÇÃO DE ENVASE DE
LÍQUIDOS POR CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para a conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, pela seguinte comissão de professores:
Data da Aprovação: ____/____/____
_________________________________
Prof. Dr. José Arnaldo Duarte
FATEC - Garça
_________________________________
_________________________________
Garça 2015
Dedicatória
Dedicamos primeiramente a Deus
por tornar possível mais uma etapa
concretizada em nossas vidas, a paciência
dos docentes ao longo desses anos, ao
orientador que dispôs de seu tempo para
sanar dúvidas, a família que sofreu com a
ausência, e aos filhos o aprendizado que para
atingir objetivos necessita-se de esforço e
dedicação.
AUTOMAÇÃO PARA LINHA DE PRODUÇÃO DE ENVASE DE
LÍQUIDOS POR CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
Márcio Geovani da Cruz1
Maysson Rodrigues de Souza
Prof. Dr. José Arnaldo Duarte2
Resumo – A proposta desta pesquisa científica é demonstrar as vantagens da automação sobre um processo manual de envase de líquidos utilizando um controlador lógico programável CLP. O CLP faz todo o controle do processo da linha de produção e substitui o trabalho humano, eliminando os erros causados pela manipulação e verificação manual no envase. Atualmente existem empresas que ainda realizam o processo de envase manualmente, devido ao baixo recurso financeiro para investimento. O processo torna-se caro devido a diversos fatores, como por exemplo: desperdício, gastos com mão de obra e baixa produtividade. Processos manuais comprometem a qualidade e a saúde dos empregados por realizarem trabalhos repetitivos e sequenciais. Desenvolveu-se um protótipo com custo acessível para deixar evidente a total relevância da automação industrial de uma linha de produção de envase de líquidos. Através de conhecimentos adquiridos e as ferramentas da Mecatrônica Industrial tornou-se possível. Com esta pesquisa espera-se demonstrar que é possível fazer a automação com um custo acessível e tornar as empresas mais competitivas, o que justifica a relevância social.
Palavras-Chave: Produção. Automação. Envase. CLP.
Abstract – The propose of this scientific research is demonstrate the benefits of automation over a filling manual process using a programmable logic controller PLC. PLC does all process control of the production line and replace the work human, eliminating the mistakes caused by manipulation and manual visual checking. Nowadays there are companies that still do the filling manual process, due low financial source for investments. Process become expensive for many reasons, like for example: loss, waste with work hand and low productive. Manual process is a risk for quality and employee health by to make repetitive jobs and sequential. Developed a prototype with accessible cost to let know the total relevance of the Industrial Automation of production line liquid filling. Trough of knowledge acquired and Mechatronic tools this is become possible. With this research it hope demonstrate that is possible the automation as low cost and to become more competitive the companies, what justify the social relevance.
Key words: Production. Automation. Filling. PLC.
1 Alunos da Fatec Garça 2 Docente da Fatec Garça
INTRODUÇÃO
O tema selecionado para a pesquisa encontra-se no contexto do curso de
Mecatrônica Industrial, é atual e relevante para a comunidade empresarial, porque
implica em melhorar a produção, a ergonomia, a redução de desperdícios e de
custos, e para a ciência, agrega conhecimento.
O objetivo geral da pesquisa é desenvolver um protótipo para evidenciar a
relevância da automação industrial para uma linha de produção de envase de
líquidos.
A pesquisa, portanto, tem o propósito de enfatizar as vantagens e benefícios
da automação em uma linha de envase de líquidos. Com a automação e a
transformação do envase de modo manual para o modo automático, a capacidade
produtiva da linha é aumentada, obtendo produtos padronizados, eliminação de
riscos ergonômicos, redução de custos com mão de obra, aproveitamento de mão
de obra para inspeção direta, garantindo a qualidade, diminuição do risco de
contaminação por manipulação e a redução de desperdício de insumos. Essas
vantagens e benefícios são relevantes para a sobrevivência das empresas, diante
de um mercado competitivo e agressivo. As linhas de processos automáticas
produzem com menor custo e qualidade, que são a preferência de consumidores
cada vez mais exigentes.
O trabalho de pesquisa está fundamentado teoricamente nos referenciais
disponíveis, de forma física e eletrônica, de autores e pesquisadores atuais e
referendados pela comunidade científica, os quais contribuem para ancorar as
questões discutidas.
A pesquisa demonstra a relevância da automação de uma linha de envase
de líquidos em comparação a uma linha de produção de envase manual.
Em uma linha de processo manual, diversos fatores comprometem e
acabam deixando à produção instável, gerando prejuízos à empresa e
proporcionando uma interferência direta nas condições de trabalho dos funcionários,
as quais afetam o bem estar, a saúde, a segurança e o desempenho produtivo dos
mesmos.
De acordo com Rosário (2005, p. 2)
Empresas vêm se modificando e modernizando seu parque fabril rapidamente ao longo dos últimos anos, em busca de melhoria na produtividade e retorno dos recursos investidos, a fim de atender às necessidades da sociedade e do mercado.
Abergo (2000, p. 1) defende que,
A Ergonomia objetiva modificar os sistemas de trabalho para adequar as atividades nele existentes às características, habilidades e limitações das pessoas com vistas ao seu desempenho eficiente, confortável e seguro.
Devido a competitividade, as empresas buscam aumentar a produção, no
entanto, não é dada a devida importância às condições de trabalho, pois geralmente
aumenta-se a produção utilizando o mesmo volume de mão de obra, o que causa
sobrecarga física e mental. Pequenas mudanças em uma linha de produção, viáveis
para o investidor, nem sempre são do ponto de vista ergonômico, pois podem
impactar de alguma forma as condições de trabalho.
Funcionários que realizam movimentos repetitivos sequenciais durante a
jornada de trabalho não conseguem manter o ritmo produtivo constante, chegando
ao final do expediente com déficit. A eficiência decresce gradativamente chegando a
uma diferença significativa, tomando como referência o início do expediente.
A fabricação manual de produtos demanda mais tempo para ser realizada do
que uma produção automatizada. A produção manual afeta a saúde dos
trabalhadores, pois degrada lentamente a musculatura devido aos movimentos
repetitivos, além do que, é mais propícia ao surgimento de retrabalhos3, gerando
impactos negativos para a empresa.
Pessoas são sucessíveis a falhas devido aos fatores físicos e psicológicos,
pois algumas possuem dores musculares ou passam por algum problema familiar
grave, não conseguindo manter o foco em suas ações durante a produção, sendo
3 Segundo o Centro de Informação Metalmecânica – CIMM, retrabalho são as
repetições de atividades ocasionadas por problemas ligados a falhas de mão-de-obra,
material, problemas de projeto ou de operação.
assim, estão sujeitas a cometer falhas, prejudicando a produção e sujeitando seu
lote à segregação para uma verificação minuciosa.
De acordo com Borges (2013), a competitividade continua acirrada entre as
empresas. Para tanto, é necessário manter o foco na linha de produção, procurando
identificar os potenciais de desperdícios. Os refugos e o retrabalho aumentam os
custos fixos e também do produto final, pois os funcionários deverão trabalhar em
regime de hora extra para produzir novos produtos ou até mesmo para realizar a
inspeção pela busca de produtos não conformes. Um produto com avarias ou o
atraso da entrega para o cliente causam uma imagem negativa para a empresa, o
que pode agravar ainda mais a situação, como a perda dos clientes por insatisfação.
Com a tecnologia, os clientes têm acesso a opiniões de outros clientes, sendo assim
algumas reclamações podem tornar-se um efeito de grandes proporções.
Para Borges (2013, p. 1)
É preciso utilizar os recursos necessários e realizando as atividades da maneira mais adequada, sem horas extras, retrabalhos e fretes extras, e sendo eficaz de maneira a entregar o produto.
A automação industrial por meio da Mecatrônica é o principal recurso das
empresas para atualizarem seus processos, garantindo a qualidade de seus
produtos, maior produtividade, mínimo de perdas, capacitação dos funcionários,
melhores condições de trabalho e se manterem ativas perante um vasto número de
concorrentes.
De acordo com Rosário (2005, p.3)
Investimentos em tecnologia privilegiam a inovação como vantagem competitiva. As estratégias empresariais são definidas como base na identificação de oportunidades.
Em análise ao vídeo4 obtido de uma linha de envase manual de suco de
laranja, em uma pequena empresa situada no interior de São Paulo, ao qual foi a
inspiração desta pesquisa científica, os operadores fazem o envase manualmente
através da abertura e fechamento de um registro e o controle do nível é feito apenas
pelo modo visual do mesmo. Sentados em frente ao recipiente no qual está
armazenado o líquido a ser envasado, o operador se desloca de maneira 4 Vídeo fornecido como amostra para a pesquisa científica, foi entregue pelo proprietário da empresa, diante de exigências por ele propostas: total censura de dados referentes à empresa como a localidade, nome da empresa e nome dos funcionários que aparecem neste vídeo.
inapropriada para pegar o recipiente vazio e para armazenar o recipiente cheio, pois
as caixas de armazenamento encontram-se no chão em um nível bem abaixo da
linha da cadeira fazendo o operador curvar-se forçando a região lombar inferior.
Nessas condições não só o operador de envase sofre as consequências
pela má postura e movimentos inapropriados durante a rotina de trabalho, mas
também a pessoa responsável em retirar o engradado de garrafas do chão e coloca-
las na área de estoque. Tratando-se de uma empresa alimentícia os riscos de
contaminação devem ser levados em consideração, pois a manipulação sem as
devidas condições de higiene compromete a qualidade do produto.
De acordo com Folha de São Paulo (2014), de janeiro a julho, mais de 1,4
milhões de pessoas foram liberadas pelo INSS devido a problemas de saúde em
âmbito nacional, as dores lombares ficaram em 2º lugar no ranking de afastamento
com 23.557 pessoas e dores nas costas em 3º com 22.597 afastamentos.
A automação de uma linha de processo aumenta a produtividade, diminui as
perdas, os riscos de contaminação e problemas ergonômicos, pois no processo
automático os operários não têm contato com os produtos e não precisam realizar
movimentos repetitivos ou permanecer em posições incorretas durante a fabricação.
O operador passa a desempenhar um papel importante na linha produtiva
automática, como seu foco não será produzir ele passa a efetuar o controle de
qualidade. Durante a produção o operador fica atento a todos os detalhes, assim
qualquer problema relacionado a qualidade é reparado rapidamente ou não havendo
solução a linha é parada imediatamente, sendo assim diminui-se as chances de ter
produtos não conformes ou a necessidade de retrabalhos futuros, garantindo a
confiabilidade da produção.
A metodologia aplicada é o desenvolvimento experimental de um protótipo
que simula a automação por CLP de uma linha de envase citada anteriormente,
visando verificar a sua viabilidade e eficácia, utilizando as ferramentas da
mecatrônica industrial, para a solução dos problemas aqui propostos.
2. DESENVOLVIMENTO 2.1 Referencial teórico
2.1.1 Controlador Lógico Programável – CLP
Para Rosário (2005, p. 283) o CLP (controlador lógico programável) ou CP
(controlador programável), é um dispositivo físico, eletrônico, que possui uma
memória interna programável capaz de armazenar sequências de instruções lógicas
binárias. Existem dois tipos de CLPS:
Compactos;
Modulares.
Os CLP´s compactos são utilizados para aplicações em que o meio externo
a ser controlado pelo CLP não ultrapasse a quantidade máxima do módulo de
entrada e saída nele existente. Possuem todos os módulos necessários para seu
funcionamento dentro de um mesmo invólucro ao qual o usuário final não tem
acesso e nem o privilégio de alterar qualquer característica física do mesmo.
Já os CLP´s modulares, são compostos basicamente de módulos
separados, onde esses podem ser removidos ou adicionados. São utilizados em
processos que necessitam de mais versatilidade e de um número maior de entradas
e saídas.
2.1.1.1 Funcionamento do CLP
O CLP atua de acordo com as informações recebidas do ambiente externo
pelo qual é o agente controlador. Essas informações podem ser enviadas por uma
variedade de equipamentos que podem ser de sinal analógico5 ou de sinal digital6.
Esse sinal é recebido pelo Módulo de Entrada e a Unidade de Memória processa as
sequências lógicas determinadas pelo usuário ao qual denomina-se programa, e
altera as variáveis de saída7 através do Módulo de Saída e o processo se repete
ciclicamente. A Figura 1 representa o fluxograma do funcionamento de um ciclo do
CLP.
5 Sinais analógicos: transdutores de posição, transdutores de pressão, etc. 6 Sinais digitais: botões, chaves fim de curso, etc. 7 Variáveis de Saída: válvulas, relés, contatores, etc.
Figura 1 – Fonte: Autores.
Cada ciclo é denominado SCAN. Quanto menor o tempo de scan, maior a
credibilidade do CLP. Esse tempo depende do tamanho do programa e do número
de entradas e saídas a serem atualizadas.
2.1.1.2 Arquitetura
O CLP é composto basicamente:
Unidade Central de Processamento - UCP,
Fonte de Alimentação,
Módulo de Entrada/Saída e
Rack.
2.1.1.3 Unidade central de processamento.
É a unidade responsável em gerenciar todos os módulos funcionais do CLP.
O controle das variáveis do processo é efetuado de acordo com sequências lógicas
inseridas pelo usuário no software de programação, que são armazenadas em uma
memória do tipo EEPROM (electrically erasable programmable read only memory).
A memória EEPROM está presente na grande maioria dos
microcontroladores comumente utilizados, por oferecer armazenamento
permanente, e também, por possuir um processo de gravação simples, rápido e de
fácil utilização realizado através de energia elétrica, podendo ser regravado milhares
de vezes pelo usuário.
O processo de gravação desse tipo de memória possui um atraso, porque,
para que um novo programa seja gravado, é necessário que a memória seja
totalmente apagada antes, e possui um limite de gravação entorno de 60.000 vezes,
INÍCIO
LEITURA
MÓDULO DE ENTRADA
ATUALIZA
MÓDULO DE SAÍDA
EXECUTA
PROGRAMA
mas essas desvantagens não são nada em comparação com as vantagens que
essa memória possui. Para se ter uma ideia das vantagens que essa memória
disponibiliza basta comparar com sua antecessora a EPROM (Erasable
Programmable Read Only Memory), que para ser regravada, era necessário que a
memória fosse inteiramente exposta a luz ultravioleta por alguns minutos.
A memória EEPROM é utilizada somente para guardar o programa inserido
pelo programador, e os dados das variáveis são guardadas em outra memória do
tipo FLASH, contida dentro da UCP.
De acordo com Franchi e Camargo (2013, p. 79)
A grande maioria dos controladores de médio e pequeno porte usa EEPROM como a única memória do sistema. Ela fornece armazenamento permanente para o programa e pode ser facilmente alterada como o uso de um dispositivo de programação ou uma unidade de programação manual. Estas duas características ajudam a reduzir o tempo para a alteração de programas.
A UCP é um microcontrolador, por isso ele possui memória EEPROM e
memória FLASH, onde sua principal característica é de que após cada nova
programação, não há a necessidade de mudanças físicas no hardware, e também
não e necessário a retirado do módulo para a programação, podendo ser
programado via IHM (Interface Homem Máquina), Rede ou cabo de comunicação.
Para que o programa seja gravado na UCP e necessário compilar
primeiramente a sequência lógica desenvolvida para verificar se não há erros de
programação e se os dados do CLP não foram inseridos erroneamente no software.
Após compilar, clica-se no botão download, que envia o programa para a UCP.
2.1.1.4 Fonte de alimentação
É a unidade responsável pelo fornecimento de energia para todos os
módulos existentes no barramento do CLP.
A tensão de entrada dos CLP´s podem ser 127/220vac e ainda alguns
fabricantes estão adotando a tensão de entrada de 24vdc.
2.1.1.5 Módulos de Entrada/Saída
São módulos responsáveis pela leitura e comunicação da UCP com as
partes externas do processo, como por exemplo, sensores e atuadores. O programa
é processado de acordo com os sinais das entradas e as saídas são atualizadas de
acordo com a lógica determinada pelo usuário.
De acordo com Franchi e Camargo (2013, p. 79)
Para que as CPU dos CLP possa realizar as suas funções de controle, elas precisam receber informações externas. Para realizar essa tarefa existem módulos de entrada, ou seja, módulos que servirão de interface entre os sinais provenientes do processo a ser controlado e a CPU.
Os módulos de entrada podem ser classificados como entradas digitais ou
também chamado de entrada discreta, e analógica.
As entradas digitais correspondem somente a dos valores lógicos, nível alto,
que é representado pela tensão máxima de entrada, e nível logico baixo, que
corresponde a menor tensão de entrada, ou seja, o zero volts.
A entrada analógica é utilizada quando um dispositivo não possui um valor
fixo de tensão de saída, ou seja, ele varia de acordo com a condição nele aplicada.
Nesse caso a tensão será dividida em escalas para que a UCP possa entender o
que está acontecendo e tomar as decisões segundo a lógica empregada.
O módulo de saída e responsável por atuar nos dispositivos externos.
2.1.1.6 Rack
É a parte física responsável pela fixação mecânica e interligação elétrica
entre os módulos existentes no rack para o funcionamento do CLP.
2.1.2 Linguagem de programação
A linguagem de programação permite ao operador determinar as ordens de
modo sequencial que o CLP deve obedecer. Sem ela seria impossível o
programador se comunicar com o dispositivo, porque não haveria um meio que
fizesse o dispositivo entender operador. Atualmente, existem 5 tipos de linguagem
de programação para CLP´s, porém a linguagem LADDER é a mais utilizada devido
a sua semelhança com a lógica de comandos elétricos.
De acordo com Franchi e Camargo (2013, p. 106)
LADDER é uma linguagem gráfica baseada na lógica de reles e contatos elétricos para a realização de circuitos de comandos de acionamentos. Por ser a primeira linguagem utilizada pelos fabricantes, é a mais difundida e encontrada em quase todos os CLPS da atual geração.
O funcionamento da linguagem LADDER e de fácil compreensão, cada
entrada e saída do CLP possui um endereçamento físico, sua nomenclatura
modifica-se de fabricante para fabricante.
O contato de acionamento pode assumir duas formas, aberto ou fechado.
O contato normalmente aberto, não permite o acionamento da linha lógica
quando não ativado.
O contato normalmente fechado, permite o acionamento da linha lógica
quando não ativado.
A saída, permite que o CLP faça o acionamento dos elementos externos
via saída transistor ou relés.
A Figura 2 demonstra o funcionamento de um sistema LADDER. A
nomenclatura utilizada é padrão da WEG para os modelos de CLP Click 02.
Figura 2. Fonte: Autores.
A saída Q1 será acionada se I01 estiver acionado e I02 desacionado,
após o acionamento de Q1 a mesma ficara ativa até que I02 seja acionado. Este
exemplo é o conceito básico de partida direta com selo.
2.1.3 Sensores
Existem vários modelos de sensores para aplicações específicas. Os
sensores são chamados de transdutores, onde através da detecção de grandes
físicas geram um sinal elétrico em sua saída. A função deles e atuar como sendo os
olhos das máquinas, eles dizem ao processo o que está acontecendo naquele exato
momento. Estes sensores podem ser digitais, variando sua saída em apenas 2
níveis lógicos, sendo eles ligado e desligado, e os sensores analógicos onde
fornecem um sinal de saída variável, esse sinal pode ser tensão, corrente,
resistência, luz, etc.
De acordo com Nascimento (2012, p. 68)
Para detecção de posição nível e presença em sistemas automáticos são utilizados sensores, e algumas vezes sondas. Sensores e sondas são dispositivos eletrônicos que utilizam um conceito físico como capacitância, indutância ou reflexão óptica para detectar certos materiais.
Os sensores possuem alguns modos de funcionamento, podendo ser eles:
Difuso, Retroreflexivo e Barreira.
Os sensores se classificam em:
Indutivos;
Mecânicos;
Capacitivos;
Fotoelétricos;
Ultrassônicos;
Óptico.
No protótipo foi utilizado sensor capacitivo difuso e ópticos. Sensores difusos
possuem o emissor e o receptor no mesmo invólucro, tornando mais prático e fácil
de instalar, além de ser econômico pois não é necessário utilizar fios para alimentar
o sensor receptor.
Sensores capacitivos funcionam através da variação do campo magnético,
ou seja, a alteração da capacitância quando um material é colocado próximo a sua
face. Uma importante vantagem que levou a escolher este sensor e a capacidade de
detecção através de outras matérias com constantes dielétricas menores ao material
que será detectado.
De acordo com Franchi e Camargo (2013, p. 79), “Materiais com grande
constante dielétrica podem ser detectados por barreiras que possuam materiais com
pequenas constantes dielétricas”.
A Figura 3 demonstra o funcionamento de uma medição de nível utilizando o
sensor capacitivo difuso.
Figura 3. Fonte: Autores.
Como a água possui uma constante dielétrica maior que a da parede do
recipiente de plástico, o sensor consegue detectar o líquido através do mesmo.
Sensores ópticos funcionam a partir da emissão de um feixe de luz enviado
pelo emissor. Quando um material reflexivo passa por esse feixe, o receptor detecta
e comuta sinal elétrico em sua saída. Esses sensores são muito utilizados por
possuírem maior vida útil de comutação, se comparados aos sensores do tipo
mecânico que apresentam fadiga e maiores índices de manutenção. Sua principal
desvantagem é em relação a sujeiras presentes no processo, que ao passarem em
frente ao feixe de luz, podem causar seu acionamento ou até mesmo sua inibição
constante.
2.1.4 Sistema de envase
Uma bomba hidráulica mantém a pressão e vazão constante na válvula de
envase e o CLP controla o tempo de abertura e fechamento da mesma. O volume a
ser envasado no recipiente é determinado pelo tempo que é inserido na IHM do
CLP. A combinação lógica entre os sensores possibilita o envase de dois volumes
diferentes sem que haja a necessidade do operador alterar as variáveis do processo
reduzindo o setup da linha.
2.2 Metodologia do protótipo
Na construção do protótipo, veja Figura 4, foram utilizadas as ferramentas da
Mecatrônica para seu desenvolvimento com o que há de atual e relevante para a
comunidade empresarial, porque implica em solucionar os problemas propostos
nesta pesquisa e para a ciência, agrega conhecimento.
O objetivo do protótipo é mostrar as vantagens de uma linha de processo
automática sobre uma linha de processo manual.
Para a construção, foi levado em consideração todo referencial teórico acima
sobre cada dispositivo, para que o objetivo seja atingido levando em conta a
limitação do capital
Figura 4. Fonte: Autores.
Após pressionar o botão de início o CLP liga a bomba hidráulica e a esteira,
o equipamento só entra em modo automático desde que haja fluído no tanque, sinal
enviado pelo sensor capacitivo, caso contrário um sinal de aviso será emitido
indicando a falta de fluído. Em modo automático a esteira desloca o recipiente é
deslocado e ao passar pelo sensor óptico o CLP pára a esteira e abre a válvula de
envase. O tempo de envase é determinado pela lógica dos sensores ópticos, se
apenas um sensor for ativado o tempo de envase é menor, caso os dois sensores
forem ativados o tempo de envase é maior. Ao final do envase a esteira é religada,
assim retirando o recipiente cheio da área de envase para que um novo um
recipiente vazio chegue.
O protótipo pode ser parado em três situações: botão de emergência, pelo
sensor capacitivo e botão de parada.
Ao pressionar o botão de emergência ou a falta de sinal do sensor capacitivo
indicador de fluído faz com que todas as funções do protótipo sejam finalizadas
imediatamente, enquanto o botão de parada só finaliza as funções enquanto não
estiver no momento de envase, caso seja pressionado o botão durante o envase, a
finalização das funções somente ocorrerá quando terminar o ciclo atual de envase.
Para maiores detalhes da lógica empregada consulte o esquema LADDER
no apêndice 1 e para a visualização do sistema elétrico de potência e comando
consulte o apêndice 2.
Na tabela abaixo segue as informações das entradas e saídas do meio
controlado para o desenvolvimento do protótipo.
Entradas Saídas
1- Botão Desliga 1- Controle da Esteira
2- Botão Liga 2- Liga/Desliga Bomba hidráulica
3- Botão Parada 3- Controle da Válvula de Envase
4- Sensor de Nível do Tanque 4- Sinalização de Alarme
5- Sensor Presença do Recipiente
6- Sensor Maior Volume
De acordo com o nosso ambiente controlado foi escolhido o CLICK-02 da
fabricante WEG, com 6 entradas digitais e 4 saídas a relés, atendendo as nossas
necessidades. Sua programação pode ser feita através do software ou através de
sua Interface Homem Máquina (IHM). A linguagem de programação suportadas são
o LADDER e FBD.
Este CLP e do tipo compacto, fácil de programar e com excelente custo
benefício, indicado especialmente para automações de sistemas de pequeno e
médio porte.
A fonte de alimentação do protótipo possui entrada de 100 a 240 vac e saída
de 24 vdc com corrente máxima de 2.5 A, e será responsável pela alimentação de
todos os dispositivos que compõem o protótipo.
O sensor capacitivo é responsável por monitorar a presença de fluído no
reservatório. Com a detecção do fluído o sensor envia um sinal para o CLP e na
ausência deste um aviso sonoro e visual é acionado para alertar o operador. Essa é
uma medida de segurança para que a bomba hidráulica não funcione sem fluído,
causando danos a mesma.
A esteira tem a função de transportar os recipientes para o local de envase. A
sua velocidade é controlada pela variação da corrente de alimentação do motor por
um dimmer. Cálculo do dimensionamento do rolamento empregado encontra-se no
apêndice 3.
A figura 5 mostra a fórmula base do volume que é utilizada no sistema de
envase, sendo que a precisão é determinada pela não alteração das variáveis. O
sistema de envase é declarado preciso quando o desvio padrão entre os recipientes
envasados são nulos ou sofrem pequenas variações.
Figura 5. Fonte: Autores.
2.3 Resultados
O desenvolvimento do 1º protótipo foi por envase gravitacional, veja Figura
6. Testes mostraram-se satisfatórios no quesito precisão de envase, contudo não foi
de agrado no quesito velocidade produtiva. A pressão atmosférica e o peso da
coluna líquida não foram suficientes para propiciar uma vazão de envase satisfatória
e o processo foi considerado lento para uma linha produtiva.
Figura 6. Fonte: Autores.
O 2º protótipo foi desenvolvido no intuito de suprir à necessidade no quesito
velocidade. O sistema passou de pressão gravitacional para uma pressão mecânica
no momento do envase, veja na Figura 7 o modelo esquemático. Essa pressão é
produzida por uma bomba hidráulica que atua diretamente na linha de envase.
Testes iniciais mostraram ótima velocidade de envase mas um péssimo controle de
nível, com muita variação de um recipiente envasado para outro.
Seguindo a fórmula de envase (V = Q x T) atentou-se que as variações no
volume final foram causadas por variação na vazão, pois o tempo controlado é de
valor fixo. Essa variação foi causada pela alteração na rpm8 durante a partida do
motor, pois sua partida não é retilínea e sim uma parábola. Para manter a rpm
constante, eliminou-se a partida do motor durante um processo de envase e outro. O
sistema de envase sofreu alterações, de modo que a bomba hidráulica fique ativa
mesmo que não haja o processo de envase.
Figura 7. Fonte os autores.
8 RPM: rotações por minuto.
No momento de envase a vazão da bomba é direcionada através de uma
válvula para o recipiente de envase. Com o término do envase a vazão é
direcionada por uma outra válvula para o reservatório evitando o sobrecarregamento
do sistema hidráulico.
Após as modificações necessárias, os testes foram realizados e os
resultados foram dados como êxito. A precisão do envase apresenta sutil variação,
porém aceitável. O protótipo atende as expectativas de resolução dos problemas
aqui propostos por essa linha de pesquisa.
2.4 Discussão
Esta pesquisa demonstrou as necessidades de se conhecer as vantagens e
desvantagens da automação de uma linha de envase. Processos que são realizados
de forma manual são passivos de automação, entretanto exigem um custo
considerável para sua modificação. Esse é o principal fator que ainda mantêm
pequenas empresas com os seus processos manuais. A falta de recursos
financeiros para a automação, deixam muitas empresas em desvantagem se
comparadas as demais com processos automatizados.
Todo processo de automação necessita de investimentos, entretanto essa
pesquisa cientifica demonstra que é possível realiza-la sem custos exorbitantes
tornando-a acessível as pequenas empresas e investidores, garantindo produtos
com qualidade e preços competitivos a nível de mercado.
Evidentemente esse trabalho pode ir além do que foi demonstrado, onde a
próxima linha de pesquisa será desenvolver um sistema de controle de baixo custo e
fácil operação, utilizando-se de microcontroladores e outros recursos eletrônicos.
Meios controlados por CLP são mais fáceis em âmbitos operacionais e
programáveis, porém é o fator determinante no orçamento da automação de um
processo.
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Espera-se com esta pesquisa ajudar outros pesquisadores da área e sirva
de incentivo para pesquisas futuras e para os investidores que ainda possuem
processos que se encaixam nas dificuldades e problemas aqui tratados, a reflexão
de que processos obsoletos são um atraso para a lucratividade de uma empresa e
que a automação é sim um fator de sobrevivência mediante o mercado competitivo.
Através dos conhecimentos adquiridos sobre automação e aqui demonstrados,
pode-se deixar evidente que além de otimizar a produção e reduzir custos
aumentando a lucratividade, é possível fornecer um ambiente e condições mais
saudáveis para os funcionários. O protótipo deixa evidente a relevância desse artigo
e que a automação dessa linha de envase mudará completamente na vida dos
empregados e principalmente para o investidor.
4. REFERÊNCIAS
ABERGO. A certificação do ergonomista brasileiro. Associação Brasileira de
Ergonomia. Rio de Janeiro, 2000. Disponível em:
<http://www.ergonomianotrabalho.com.br/abergo.html>. Acesso em: 01 ago. 2015.
ANVISA. Agência Nacional de Vigilância Sanitária. Brasil, 2003. Disponível em:
<http://www.anvisa.gov.br/institucional/anvisa/rh/qv/ler_dort.pdf>. Acesso em: 01 de
set. 2015.
BORGES, L.S. Intangível: O custo que não mensuramos. Disponível em:
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<http://www1.folha.uol.com.br/mercado/2014/09/1520341-veja-as-doencas-que-
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<http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-rele-programavel-clic-02-3rd-manual-
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5. APÊNDICE
Apêndice 1: Esquema LADDER
Apêndice 2: Esquema Elétrico de Comando e Potência.
Apêndice 3: Dimensionamento do rolamento.
Cálculo de vida útil com estimativa de probabilidade de falha de 5% dos rolamentos, FAG 6000 e FAG 6001, utilizados na construção da esteira transportadora, submetida a uma carga de esforço radial de 30 N, 36 rpm e temperatura de trabalho de 40 ºC.
1.1 Dimensionamento do Rolamento. 1.2 Fator de Esforços Dinâmicos f.
Valores fℓ= 4< fℓ < 4,5 Fator de Rotação fɳ= 0,975
1.3 Capacidade de Carga Dinâmica
1.3.1 Carga dinâmica equivalente P = FRADIAL + FAXIAL
Como não existe carga axial, a carga dinâmica é a própria carga radial.
P = FRADIAL = 30 N = 0,030 KN
1.3.2 Cálculo da capacidade de carga dinâmica.
C = P x 𝑓ℓ
fɳ => C = 0,030 x
4,25
0,975 = 0,130 KN
1.4 Fator de esforços dinâmicos do rolamento fℓ.
Valor fℓ = 4< fℓ < 4,5
Rolamento FAG 6000 C=4,55 KN Rolamento FAG 6001 C=5,1 KN
fℓ = 𝐶
P => fℓ =
4,55
0,030 = 151,66 fℓ =
𝐶
P => fℓ =
5,1
0,030 = 170
Sobredimensionado Sobredimensionado
1.5 Vida útil do rolamento. 1.5.1 Fator a1. Probabilidade de falha de 5 %, a1 = 0,62.
1.5.2 Fator a23. 1.5.3
Rolamento FAG 6000 D = 26 mm / d = 10 mm
Rolamento FAG 6001 D = 28 mm / d = 12 mm
𝑑𝑚 =𝐷 + 𝑑
2 => 𝑑𝑚 =
26 + 10
2= 18 𝑚𝑚 𝑑𝑚 =
𝐷 + 𝑑
2 => 𝑑𝑚 =
28 + 12
2= 20 𝑚𝑚
A temperatura de trabalho e rpm é comum para os rolamentos.
Relação entre as viscosidades v
v1 =
38
560 = 0,0678
Relação entre as viscosidades v
v1 =
38
510 = 0,0745
v= 38 cSt
18
v1 = 560 cSt v1 = 510 cSt
Foi utilizado a faixa II devido o rolamento
ser blindado e estar protegido de agentes
contaminantes do meio externo.
A23min=0,115 A23min=0,125
A23max=1 A23max=1
1.6 Vida nominal. Devido os rolamentos estarem com o valor de fℓ sobredimensionados, foi
utilizado o valor máximo fℓ da tabela de vida nominal.
Rolamento FAG 6000 Rolamento FAG 6001
Estimativa mínima
Lnamin=a1 x a23 x Lh
Lnamin=0,62 x 0,115 x 100000 Lnamin=7.130 horas
Estimativa mínima Lnamin=a1 x a23 x Lh
Lnamin=0,62 x 0,125 x 100000 Lnamin=7.750 horas
Estimativa máxima
Lnamin=a1 x a23 x Lh
Lnamin=0,62 x 1 x 100000 Lnamin=62.000 horas
Estimativa máxima
Lnamin=a1 x a23 x Lh
Lnamin=0,62 x 1 x 100000 Lnamin=62.000 horas
Lh= 100.000 horas
